JP5489774B2 - 耐雷ファスナ - Google Patents

Description

本発明は、航空機の機体、特に翼に用いられる耐雷ファスナに関する。

航空機の機体を構成する翼は中空構造となっている。翼の内部には、燃料タンクが収容されている。燃料タンクは、翼表面を形成する翼面パネルに対し、ファスナ部材（留め具）によって固定されている。
ファスナ部材は、ピン状のファスナ本体を、燃料タンクと翼パネルとにそれぞれ形成された貫通孔に翼の外部側から挿入し、その先端部を翼の内部側から固定金具で固定することで、翼と部材とを締結する。

ところで、航空機においては、落雷対策を万全に期す必要がある。翼面パネルとファスナ部材が異なる材料で形成されている場合、落雷時に、翼面パネルとファスナ部材との間の電位差により、翼面パネルとファスナ部材の界面に沿った方向にアーク放電（スパーク）が発生する。ファスナ部材は、燃料タンク内に露出しているため、被雷時におけるアーク放電の発生を確実に抑える必要がある。

そこで、従来、図４に示すように、翼１の内部側において、翼面パネルに相当する第一の部材２および翼の内部に取り付けられる第二の部材３を貫通するファスナ部材４のファスナ本体４ａおよび固定金具４ｂから離間した状態にキャップ６が取り付けられ、ファスナ本体４ａおよび固定金具４ｂとの間に空気で満たされた空隙７を形成する構造が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平２−７３９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、キャップ６をファスナ部材４に対して位置決めできる構造とはなっておらず、キャップ６の取付位置は作業者に依存する。このため、キャップ６の中心とファスナ部材４の中心とが大きくずれる可能性もある。空隙７においてファスナ部材４とキャップ６との間隙が小さい場所が生じると、キャップ６の機能（絶縁性）が低下する。最悪の場合、キャップ６がファスナ部材４に接触してしまった状態で取り付けられれば、キャップ６の機能そのものが大きく損なわれることもある。
また、キャップ６は、ゴム（絶縁材料）１０で外周をカバーしているため、取付現場において、接着作業、ゴム１０の塗布作業が必要であり、作業の手間がかかる。航空機の翼１の内部は、言うまでもなく空間が狭く、奥まった位置において上記したような作業を行うのは作業性が非常に悪い。しかも、このようなファスナ部材４は、翼１の全体に数千〜数万箇所設けられるため、作業性の悪化はコスト上昇に直結する。

また、このようなファスナ部材においては、アーク放電の発生を確実に抑えるという点で、さらなる向上が求められている。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、絶縁性を確実に確保したうえで、作業性および品質安定性を向上することのできる耐雷ファスナを提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明の耐雷ファスナは、航空機の機体を構成する第一の部材に対し、機体の内部側で第二の部材を締結するため、第一の部材に形成された第一の貫通孔および第二の部材に形成された第二の貫通孔に第一の部材側から挿入され、その先端部が第二の貫通孔内に位置するファスナ本体と、第二の部材の厚さよりも薄く、第二の貫通孔内でファスナ本体に装着される締結部材と、第二の貫通孔を塞ぐよう設けられ、絶縁材料からなるキャップと、を備えることを特徴とする。
本発明は、第一の部材、第二の部材、ファスナ本体、締結部材が突き合わされる界面において、落雷時にアーク放電が生じるのを抑えるためのものである。

第一の部材と第二の部材を締結するときには、第一の貫通孔、第二の貫通孔にファスナ本体を貫通させ、第二の貫通孔内においてその先端部に締結部材を装着することで、ファスナ本体と締結部材とで第一の部材と第二の部材を挟み込んで締結する。このような耐雷ファスナにより、第一の部材、第二の部材を容易に締結することができる。
ファスナ本体は、その先端部が第二の貫通孔内に位置するため、ファスナ本体は第二の部材から突出しない。また、締結部材を第二の部材よりも薄くし、第二の貫通孔内でファスナ本体に装着することで、ファスナ本体も第二の部材から突出しない。このようにして、ファスナ本体および締結部材を、第一の部材、第二の部材に形成された第一の貫通孔、第二の貫通孔内に収めることができる。
さらに、第二の貫通孔をキャップで塞ぐことで、第一の部材、第二の部材、ファスナ本体、締結部材の界面でアーク放電が生じた場合にも、これを封じ込めることができる。

さらに、キャップと締結部材との間に絶縁性材料からなるシーラントを充填するのが好ましい。これにより、アーク放電を封じ込める効果が高まる。
さらに、この観点からして、シーラントは、第二の部材と締結部材との界面および第二の部材とキャップとの界面の少なくとも一方において、他の部分よりも厚く充填するのが好ましい。

また、キャップは、その外径が第二の貫通孔よりも大きく、第二の部材の表面に沿うよう設けるのが好ましい。このようなキャップにより、第二の貫通孔を確実に塞ぐことができ、この点においてもアーク放電を封じ込める効果が高まる。

締結部材は、いかなる構成であっても良いが、第一の部材に対向する側にファスナ本体の先端部がねじ込まれる有底状の雌ネジ穴を有しているのが好ましい。
さらに、締結部材は、雌ネジ穴が形成されている側とは反対側に、有底状の凹部が形成され、キャップは、締結部材と対向する側に凸部が形成され、凹部に凸部が嵌合またはねじ込まれることで、キャップが締結部材に保持される構成とすることもできる。これにより、キャップの脱落を防ぎ、安定して耐雷性能を維持できる。
なお、キャップの凸部と凹部とは、ネジに限らず、弾性を有した係止爪やスナップリングによる係合、摩擦を利用した嵌め合いによりキャップを締結部材により保持できる。

また、凹部の底部に、ファスナ本体と締結部材を締結するときに工具を掛けるためのリセスを形成することもできる。

第二の貫通孔および締結部材は、いかなる構成としても良いが、例えば、第一の部材から離間するにしたがいその径が漸次拡大するテーパ形状とするのが好ましい。これにより、第二の部材と締結部材とを面接触させて電気的導通を確保しやすいのに加え、締結部材による締結力を第一の部材、第二の部材に効率よく発揮できる。

また、第二の貫通孔は、第一の部材に対向する側の径が、ファスナ本体の径よりも大きく、当該第二の貫通孔に収容される締結部材が第一の部材に直接突き当たるようにしても良い。これにより、締結部材が第一の部材に直接突き当たって面接触するので、締結部材と第一の部材との電気的導通を確保できる。

なお、上記したような構成は、燃料タンクに限らず、翼パネルと構造材、翼パネルとその他の部材との締結にも用いることが可能である。

本発明によれば、ファスナ本体および締結部材を、第一の部材、第二の部材に形成された第一の貫通孔、第二の貫通孔内に収めることができる。さらに、第二の貫通孔をキャップで塞ぐことで、第一の部材、第二の部材、ファスナ本体、締結部材の界面でアーク放電が生じた場合にも、これを封じ込めることができる。したがって、絶縁性を確実に確保することができる。一方、キャップは第二の貫通孔に装着するのみで良いため、作業性および品質安定性を向上させることもできる。

本実施の形態における耐雷ファスナを適用した航空機の機体を構成する翼の一部の断面図である。 耐雷ファスナによる締結構造を示す断面図である。 耐雷ファスナの変形例を示す断面図である。 従来のファスナ部材による締結構造を示す断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における耐雷ファスナを適用した航空機の機体を構成する翼の一部の断面図である。
この図１に示すように、翼２０は、その外殻が、例えば炭素繊維と樹脂との複合材料であるＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）や、アルミ合金等の金属材料からなる翼パネル（第一の部材）２１によって形成されている。
翼２０の内部に設けられる、補強のための構造材や燃料タンク、各種の機器等の部材（第二の部材）２２が、翼パネル２１に固定されている。

図２に示すように、部材２２は、ファスナ部材２４によって翼パネル２１に取り付けられている。ファスナ部材２４は、ピン状のファスナ本体２５と、翼２０の内部側でファスナ本体２５に装着されるカラー２６と、キャップ２７と、シーラント２８と、から構成される。

ファスナ本体２５およびカラー２６は、強度の面から一般に金属材料により形成される。
ピン状をなしたファスナ本体２５は、軸部２５ａの先端部にネジ溝２５ｂが形成され、後端部は軸部２５ａより拡径したテーパ状の拡径部２５ｃとされている。このファスナ本体２５は、翼パネル２１および部材２２を貫通して形成された孔（第一の貫通孔）３０、孔（第二の貫通孔）３１に翼２０の外側（翼パネル２１側）から挿入されている。
ここで、翼パネル２１に形成された孔３０は、翼パネル２１の外表面側が、拡径部２５ｃに対応した角度で形成されたテーパ孔部３０ａとされ、部材２２に対向する側が、テーパ孔部３０ａに連続して軸部２５ａが挿通されるストレート孔部３０ｂとされている。
部材２２に形成された孔３１は、翼パネル２１に対向する側の端部３１ａが、ストレート孔部３０ｂよりも大きな内径を有し、反対側の端部３１ｂに向けてその内径が漸次拡大するテーパ面３１ｃが形成されている。

ファスナ本体２５の軸部２５ａは、翼パネル２１側から孔３０、３１に挿通され、拡径部２５ｃをテーパ孔部３０ａに突き当てた状態で、軸部２５ａが孔３１の内方に突出するよう設けられている。ただし、軸部２５ａの先端部は、孔３１を貫通して部材２２の反対側の表面からは突出しないよう設けられている。ファスナ本体２５への雷の直撃を防ぐために、ファスナ本体２５は、その表面を樹脂等の絶縁材料でコーティングすることもできる。
また、この状態で、孔３０のストレート孔部３０ｂから孔３１内に突出した軸部２５ａの周囲には、孔３１の端部３１ａの内側に翼パネル２１の表面２１ａが露出している。

カラー２６は、一端面２６ａが孔３１の端部３１ａの内径とほぼ等しい外径を有しており、他端面２６ｂに向けて、孔３１のテーパ面３１ｃに対応した角度で拡径するテーパ形状とされている。また、カラー２６の一端面２６ａの中心部には、有底状の雌ネジ孔３２が形成されている。
ここで、カラー２６の一端面２６ａと他端面２６ｂとを結んだ方向の厚さｔは、部材２２の厚さＴよりも小さくなるよう形成されている。
また、カラー２６の他端面２６ｂの中央部には、有底状の穴（凹部）３３が形成されている。さらに、穴３３の底面には、ドライバ等の工具を掛けるためのリセス３４が形成されている。

このようなカラー２６は、孔３１の内方に突出したファスナ本体２５の軸部２５ａのネジ溝２５ｂが、雌ネジ穴３２にねじこまれる。すると、カラー２６の一端面２６ａが、孔３１の端部３１ａの内側において、軸部２５ａの周囲に露出した翼パネル２１の表面２１ａに突き当たる。これにより、カラー２６は、翼パネル２１に直接、電気的に接触する。
また、この状態で、カラー２６のテーパ面２６ｃが、孔３１のテーパ面３１ｃに面接触し、部材２２に電気的に接続されるとともに、翼パネル２１と部材２２を挟み込むようにして締結している。

そして、一端面２６ａが翼パネル２１の表面２１ａに突き当たった状態において、カラー２６の厚さｔは、部材２２の厚さＴよりも小さいため、他端面２６ｂは、部材２２において、翼パネル２１に対向する側とは反対側の面、つまり部材２２が燃料タンクである場合には、燃料タンクの内周面よりも、翼パネル２１側（内方）に位置している。

キャップ２７は、孔３１の端部３１ｂを塞ぐように設けられている。すなわち、キャップ２７は、孔３１の端部３１ｂの内径よりも大きな外径を有し、端部３１ｂの開口を完全に塞ぐようになっている。このキャップ２７は、端部３１ｂの開口の周囲に位置するフランジ部２７ａと、フランジ部２７ａの内側に形成されたテーパ面２７ｂと、その内側でカラー２６の他端面２６ｂに対向するプレート部２７ｃとを備える。ここで、プレート部２７ｃの中央部には、穴３３に対応する突起（凸部）２７ｄが突出形成され、この突起２７ｄが穴３３に挿入される。そこで、突起２７ｄの外周面に雄ねじ溝を形成し、穴３３の内周面に雌ねじ溝を形成することで、キャップ２７は突起２７ｄが穴３３のネジ孔にねじこまれ、その脱落が確実に防止される。
このようなキャップ２７は、熱可塑性樹脂（例えば、耐熱性・強度を有する他、絶縁破壊電圧が高いポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、耐熱性・強度が優れている他、成形性・汎用性に優れたポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、耐熱性・強度を有する他、成形性・汎用性に優れたポリフェニルサルルファイド（ＰＰＳ）、耐熱性・強度が特に優れているポリアミドイミド（ＰＡＩ））や、熱硬化性樹脂（例えば、耐熱性・強度が特に優れているポリイミド（ＰＩ））等を用いて形成されている。

シーラント２８は、例えば耐油性、温度特性に優れる材質からなり、キャップ２７において、カラー２６および部材２２に対向する側の表面に塗布されている。
さらに、キャップ２７の外周部と部材２２との界面部分Ａと、カラー２６と孔３１の内周面との界面部分Ｂには、シーラント２８を他の部分よりも厚く塗布されている。このために、キャップ２７には、テーパ面２７ｂとカラー２６の他端面２６ｂと孔３１の内周面との間には空間が形成され、この空間にシーラント２８が充填塗布されるようになっている。

上述したようなファスナ部材２４は、ファスナ本体２５の先端部およびカラー２６が翼パネル２１に形成された孔３０および部材２２に形成された孔３１の内部に収容され、導電性材料からなるファスナ本体２５とカラー２６とが、部材２２の内側に突出（露出）しない。さらに、ファスナ本体２５およびカラー２６は、絶縁性材料からなるキャップ２７およびシーラント２８によって覆われている。これにより、落雷を受けたときに、部材２２の内方でアーク放電が生じるのを防ぐことができる。
また、孔３１がファスナ本体２５の軸部２５ａの外径より大きな内径を有しており、これにより、カラー２６の一端面２６ａが翼パネル２１に面接触することで電気的に接続されるため、翼パネル２１との間で良好な導電性を得ることができる。
さらに、カラー２６はテーパ状であり、テーパ面２６ｃが孔３１の内周面に面接触により電気的に接続されるので、カラー２６と部材２２との間においても、良好な導電性が確保できる。

また、キャップ２７は、その外径が孔３１の端部３１ｂの内径よりも大きな外径を有して、端部３１ｂの開口を完全に塞ぐようになっているので、これにより、アーク放電が生じた場合にもこれをキャップ２７によって封じ込め、部材２２の内部空間側への侵入を防ぐことができる。
加えて、カラー２６とキャップ２７との間、およびキャップ２７の外周部と部材２２との間は、シーラント２８により電気的な絶縁性が確保されている。

このようにして、上述したファスナ部材２４により翼パネル２１と部材２２とを締結することにより、アーク放電を確実に防止することができる。

このようなファスナ部材２４は、翼パネル２１と部材２２とを突き合わせ、翼パネル２１側から孔３０、３１にファスナ本体２５の軸部２５ａを挿入し、部材２２側から孔３１にカラー２６をセットする。そして、軸部２５ａのネジ部２５ｂを、カラー２６の雌ネジ穴３２にねじ込むことで、翼パネル２１と部材２２とを締結する。さらに、孔３１内でカラー２６を底面として形成される凹部にシーラント２８を充填するとともに、キャップ２７を装着する。このように、絶縁性を確実に確保したうえで、作業性を向上させて製造コストを抑えるとともに、作業者によらず安定した品質で取り付けることができる。

また、キャップ２７のプレート部２７ｃの中央部には、突起２７ｄが突出形成される一方、カラー２６には穴３３が形成され、突起２７ｄが穴３３に挿入されるようになっている。これにより、キャップ２７を容易かつ確実に位置決め固定できる。さらに、突起２７ｄの外周面に雄ねじ溝が形成され、穴３３の内周面に雌ねじ溝が形成されることで、キャップ２７は穴３３のネジ孔にねじこまれ、その脱落を確実に防止することができる。
また、キャップ２７は、樹脂で形成することで、量産が容易となり、製造コストを抑えるとともに、量産により肉厚を管理しやすく、キャップ２７の軽量化を図ることもできる。

なお、上記実施形態においては、ファスナ部材２４を構成する各部材について説明したが、その構成については、本発明の主旨の範囲内であれば適宜変更が可能である。
例えば、カラー２６は、テーパ状をなしている構成としたが、これに限るものではない。図３に示すように、カラー２６’を、円柱状をなした構成とすることも可能である。この場合も、孔３１’がファスナ本体２５の軸部２５ａの外径より大きな内径を有するものとし、これにより、カラー２６’の一端面２６ａを翼パネル２１に面接触させて、翼パネル２１との間で良好な導電性を得ることもできる。
このとき、カラー２６’には、外周側に張り出すフランジ部６０を形成するのが好ましい。一方、部材２２の孔３１’の外周縁部には、フランジ部６０が突き当たる段部６１が形成されている。フランジ部６０が段部６１に面接触により突き当たることで、翼パネル２１と部材２２とを挟み込むとともに、カラー２６’と部材２２との間の電気的な接続も確実に行える。

これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

２０…翼、２１…翼パネル（第一の部材）、２２…部材（第二の部材）、２４…ファスナ部材、２５…ファスナ本体、２５ａ…軸部、２５ｂ…ネジ溝、２５ｃ…拡径部、２６…カラー、２６ａ…一端面、２６ｂ…他端面、２６ｃ…テーパ面、２７…キャップ、２７ｄ…突起（凸部）、２８…シーラント、３０…孔（第一の貫通孔）、３０ａ…テーパ孔部、３０ｂ…ストレート孔部、３１…孔（第二の貫通孔）、３１ａ…端部、３１ｂ…端部、３１ｃ…テーパ面、３２…雌ネジ穴、３３…穴（凹部）、３４…リセス、６０…フランジ部

Claims (10)

1. 航空機の機体を構成する第一の部材に対し、前記機体の内部側で第二の部材を締結するため、前記第一の部材に形成された第一の貫通孔および前記第二の部材に形成された第二の貫通孔に前記第一の部材側から挿入され、その先端部が前記第二の貫通孔内に位置するファスナ本体と、
   前記第二の部材の厚さよりも薄く、前記第二の貫通孔内で前記ファスナ本体に装着される締結部材と、
   前記第二の貫通孔を塞ぐよう設けられ、絶縁材料からなるキャップと、
   を備えることを特徴とする耐雷ファスナ。
2. 前記キャップと前記締結部材との間に絶縁性材料からなるシーラントが充填されていることを特徴とする請求項１に記載の耐雷ファスナ。
3. 前記シーラントは、前記第二の部材と前記締結部材との界面および前記第二の部材と前記キャップとの界面の少なくとも一方において、他の部分よりも厚く充填されていることを特徴とする請求項２に記載の耐雷ファスナ。
4. 前記キャップは、その外径が前記第二の貫通孔よりも大きく、前記第二の部材の表面に沿うよう設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の耐雷ファスナ。
5. 前記締結部材は、前記第一の部材に対向する側に前記ファスナ本体の先端部がねじ込まれる有底状の雌ネジ穴を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の耐雷ファスナ。
6. 前記締結部材は、前記雌ネジ穴が形成されている側とは反対側に、有底状の凹部が形成され、
   前記キャップは、前記締結部材と対向する側に凸部が形成され、
   前記凹部に前記凸部が嵌合またはねじ込まれることで、前記キャップが前記締結部材に保持されていることを特徴とする請求項５に記載の耐雷ファスナ。
7. 前記凹部の底部に、前記ファスナ本体と前記締結部材を締結するときに工具を掛けるためのリセスが形成されていることを特徴とする請求項６に記載の耐雷ファスナ。
8. 前記第二の貫通孔および前記締結部材が、前記第一の部材から離間するにしたがいその径が漸次拡大するテーパ形状とされていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の耐雷ファスナ。
9. 前記第二の貫通孔は、前記第一の部材に対向する側の径が、前記ファスナ本体の径よりも大きく、当該第二の貫通孔に収容される前記締結部材が前記第一の部材に直接突き当たることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の耐雷ファスナ。
10. 前記第一の部材、前記第二の部材、前記ファスナ本体、前記締結部材が突き合わされる界面において、落雷時にアーク放電が生じるのを抑えるためのものであることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の耐雷ファスナ。

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